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1、MIDAS 培训资料第一章 关于MIDAS/Civil1.1 midas软件/Civil简介MIDAS系列软件是以有限元为理论基础开发的分析和设计软件。早在1989年韩国浦项集团成立CAD/CAE研发机构开始专门研发MIDAS系列软件，于2000年9月正式成立Information Technology Co., Ltd.(简称MIDAS IT)。目前MIDAS系列软件包含建筑（Gen），桥梁(Civil)，岩土隧道(GTS)，机械(MEC)，基础(SDS)，有限元网格划分(FX+)等多种软件。在计算机技术方面，MIDAS/Civil所使用的是客体指向性计算机语言Visual C+，因此可以充
2、分地使32bit视窗环境的优点和特点得到发挥。以用户为中心的输入输出功能使用的是精确而且直观的用户界面和尖端的电脑图形技术，从而为考虑施工阶段或者材料时间依存性的土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。在结构设计方面，MIDAS/Civil全面强化了实际工作中结构分析所需要的分析功能。通过在已有的有限元库中加入索单元、钩单元、间隙单元等非线性要素，结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，从而计算出更加准确的和切合实际的分析结果。建模技术采用的是自行开发的新概念CAD形式的建模技术，可以更加提高建模效率。特别是由于拥有如桥梁建模助手等高效自动化建模功能，所以只要输入截面形状、桥梁
3、特点、预应力桥的钢束位置等基本数据，就可以自动建立桥梁模型以及施工阶段的各种数据。悬索桥完成系模型为青潭大桥的抗震设计所进行的特征值分析栈桥模型墩柱静力分析1.2 MIDAS/Civil的适用领域MIDAS/Civil的适用领域如下。 所有形式的桥梁分析与设计钢筋混凝土桥、钢桥、联合梁桥、预应力桥、悬索桥、斜张桥 大体积混凝土的水化热分析桥台、桥墩、防波堤、地铁、其它基础建筑 地下建筑的分析地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道 发电站及工业设施结构设计发电站、铁塔、压力容器、水塔等 其它国家
4、基础建设结构设计飞机场、大坝、港湾等1.3 MIDAS/Civil的特点*提供菜单交互式、表格输入、导入CAD等灵活多样的建模功能。*提供刚构桥、板型桥、箱梁桥、顶推法桥梁、悬臂法桥梁、移动支架/满堂支架法桥梁、悬索桥、斜拉桥的建模助手。*提供中国、美国、英国、德国、欧洲、日本、韩国等国家的材料和截面数据库，以及混凝土收缩和徐变规范和移动何在规范。*提供桁架、一般梁/边截面梁、平面应力/平面应变、只受拉/只受压、钩、索、板、实体单元等工程实际时所需的各种有限元模型。*提供静力分析、动力分析、静/动力弹塑性分析、几何非线形分析、优化索力、屈曲分析、移动荷载分析（影响线/影响面分析）、支座沉降分析
5、、施工阶段分析、联合截面施工阶段分析等功能。*在后处理中，可以根据设计规范自动生成荷载组合，也可以添加和修改荷载组合。*可以输出各种反力、位移、内力和应力的图形、表格和文本。*可在进行结构分析后对多种形式的梁、柱截面进行设计和验算。 1.4 分析框图1.5 操作界面第二章 土木结构分析2.1 MIDAS/Civil 中的数值分析模型结构分析模型是由节点、单元及边界条件三要素所构成的。其中，节点是用来确定构件的位置；单元是用分析模型数据表达结构构件的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的；边界条件是用来表达所研究的对象结构与相邻的结构之间的连接方式。所谓的结构分析就是为了研究结构的力学性
6、能，建立结构的数值分析模型，利用假定的外部环境作用，对数学模型作理论性的实验分析的总过程。在结构分析时，需要准确的表现结构的特性和结构所处的外部环境。其中外部环境主要就是指荷载因素。可通过规范或者一些现有的统计资料得到。但是，要想把握好结构的特性，充分地了解结构的受力性能，则不是一件非常简单的事情。它将直接影响到结构的受力分析结果。因此，作结构分析时必须充分细致的了解实际结构的材料特性，掌握结构的变形能力即刚度，选择合理的有限计算单元，使得计算结构模型同实际结构相接近，使计算结果同实际结构相符合。但是，通常结构的形状是复杂的，而且很难精确地把握其材料的物理特性。要想把结构的刚度（即变形能力）和
7、质量精确地反映到计算结构模型上，将会花去很大的精力和时间，有时有可能带来事倍功半的效果。因此，进行结构分析时，在不破坏整体结构特征的前提下，必须做到简化、调整计算结构的数学模型，使得用最少的投入，得到最佳的结果。例如，对桥梁的主梁建立数学模型时，不使用板形单元（平面应力单元或板单元），而采用线形单元（桁架单元或梁单元）时，不但缩短结构分析时间，而且更便于作结构设计。所谓的有限元（Finite Element)就是用分析模型数据表达结构构件特性的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的。它必须充分的反映结构受力特性，但通常很难做到用数学的方法完整地反映出实际结构固有的特性。因此，作为用户必
8、须充分地了解实际结构的受力性能，掌握好各种有限单元的力学特性，以便较好的选择有限单元，正确地做到结构分析和设计。2.2 坐标系和节点MIDAS/Civil 软件使用如下几个坐标系系统。. 全局坐标系 (Global Coordinate System). 单元坐标系 (Element Coordinate System). 节点坐标系 (Node local Coordinate System)全局坐标系是由X 、Y 、Z 三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系(Conventional Cartesian Coordinate System)，用大写X、Y、Z 表示三个轴的方向。 通常利用该坐
9、标系表达节点坐标、节点位移、节点反力及相关于节点的其它输入数据。全局坐标系是用来确定所分析对象结构空间位置的坐标系统。启动MIDAS/Civil软件，在系统界面视窗区，将自动生成基准点 (Reference Point) 即全局坐标系的原点X=0、Y=0、Z=0 和全局坐标系统。其中Z 轴的方向平行于重力加速度方向并与其反向。因此利用软件建立结构的计算模型时，建议做到结构的垂直方向与全局坐标系的Z 轴平行建模，将有利于结构分析。单元坐标系也是由x、y、z 三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小写x、y、z 表示三个轴的方向。通常利用该坐标系表达单元内力、单元应力及相关于单元的其它输入数
10、据。结构端部节点的约束（支撑）方向、弹簧支撑方向及节点的强制位移方向同全局坐标系的坐标轴方向不相吻合时，通常采用节点坐标系。节点坐标系也是由x、y、z 三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小写x、y、z 表示三个轴的方向。全局坐标系和节点坐标2.3 单元种类及主要考虑事项MIDAS/Civil 使用以下几种单元类型。 桁架单元 (Truss Element) 只受拉单元 (Tension-only Element, 包含Hook 功能) 索单元 (Cable Element) 只受压单元 (Compress
11、ion-only Element, 包含Gap 功能) 梁单元/变截面梁单元 (Beam Element/Tapered Beam Element) 平面应力单元 (Plane Stress Element) 板单元 (Plate Element) 平面应变单元 (2D Plane Strain Element) 平面轴对称单元 (2D Axisymmetric Element) 空间单元 (Solid Element)输入有限单元就是输入相关于单元的种类、材料特性、刚度大小
12、的数据和输入确定单元位置、形状和大小的节点数据的过程。2.3.1 桁架单元(Truss Element) 一般事项由2 个节点构成的桁架单元是属于“单向受拉-受压的三维线性单元(Uniaxial Tension-Compression 3D Line Element)”，它只能传递轴向的拉力和压力。通常利用该单元做空间桁架结构(Space Truss) 或交叉支撑结构(Diagonal Brace)的受力分析。 单元自由度和单元坐标系桁架单元的两端各有一个沿单元坐标系的x 轴方向的位移，它具有两个自由度。单元坐标系是单元的内力及单元的应力输出的基准。在梁
13、单元上，单元的抗剪刚度和抗弯刚度输入方向依据单元坐标系。所以在做结构分析时必须正确地理解单元坐标系的概念。对于桁架单元、只受拉单元及只仅受压单元等只具有轴向刚度的单元而言，只有单元坐标系的x 轴有意义，它是确定结构变形的基准，但利用y、z 轴可确定桁架截面在视窗上的方向 。为便于用户使用MIDAS/Civil 软件，通常可利用 角 来表示单元坐标系的 y,z 轴方向。线性单元的单元坐标系里，x 轴的方向将平行于节点N1 和节点N2 的连线方向（参照下图） 如果，单元坐标系的x 轴平行于全局坐标系的Z 轴， 角是全局坐标系X 轴与单元坐标系z 轴件的夹角。该角度的正负符号是，以单元坐标系的x 轴
14、为旋转轴依据右手螺旋法则来确定。 如果单元坐标系的x 轴与全局坐标系的Z 轴不相互平行时， 角是全局坐标系的Z 轴与单元坐标系的x-z 轴所构成的平面间的夹角。 角概念单元内力输出单元的输出内力符号见图1.3 所示，图中以箭头指示方向为正“+”。桁架单元的单元坐标系及单元的输出内力（应力）符号规定2.3.2 梁单元（Beam Element） 一般事项这是由2 个节点构成的，是属于“等截面或变截面三维梁单元(Prismatic/Nonprismatic3D Beam Element)”，它具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度(依据Timoshenko Beam Theory)。
15、当梁截面面积沿长度范围内不发生变化(Prismatic Beam Element)时，把一个截面面积(Section)输入到对话窗口；当梁截面面积沿长度范围内发生变化(Non-Prismatic Beam Element)时，把梁两端的两个截面面积输入到对话窗口。利用MIDASI/Civil 软件分析变截面梁时，截面面积、有效抗剪截面及截面的抗扭刚度都看作是x 轴方向的线性函数(Linear Variation)。而横截面面积对该截面的主轴计算的截面惯性矩，按用户选择的不同，沿x 轴方向可以形成为1 次、2次、3 次性函数。 单元自由度及单元坐标系无论是在单元坐标系还是在全
16、局坐标系里，梁单元的每一个节点都具有三个方向的线性移动位移和三个方向的旋转位移，因而每一个节点具有6 个自由度。梁单元坐标系与桁架单元具有相同的坐标系。相关功能Create Elements 输入计算单元Material 输入材料的物理特性Section 输入截面特性Beam End Release 确定两节点的连接方式（释放梁端约束，刚结及铰接等）Beam End Offsets 输入梁端偏心距离Element Beam Loads 输入梁荷载 （作用于梁上的集中及均布荷载）Line Beam Loads 确定加荷范围并输入线荷载Assign Floor Loads 将楼
17、板荷载转换成梁荷载来输入Prestress Beam Loads 输入预应力荷载值Temperature Gradient 输入温度梯度 单元内力输出输出的单元内力符号如图1.9 所示，箭头指向为正（+）。构件应力的正负号规定与单元内力符号规定相同。但在弯矩作用下截面上产生应力时，则以受拉为正、受压为负来规定其符号。* 输出的内力是以箭头指向为正（+）。梁单元的单元坐标系及单元内力（或应力）符号规定2.3.3板单元 （Plate Element)一般事项此本单元是由同一平面上的3 到4 个节点构成的平板单元（Plate Element)，在工程中可以利用
18、它解决平面张拉、平面压缩、平面剪切及平板沿厚度方向的弯曲剪切等结构问题。MIDAS/Civil 软件所采用的板单元，根据平面外刚度不同可以把单元划分成薄板单元 DKT、DKQ(Discrete Kichhoff Element)和厚板单元DKMT、DKMQ(DiscreteKirchhoff-Mindlin Element)两种。其中，根据Kirchhoff Plate Theory 理论开发了薄板单元；依据Mindlin-Reissner Plate Theory 理论开发了厚板单元。由于板单元考虑了局部的横向剪切应力的影响，因此对于薄板单元或厚板单元都能计算出比较准确的结果。对三角形板单元
19、，利用线性应变三角形理论LST(Linear Strain Triangle)公式化了板单元的平面内刚度。对四边形板单元， 利用了等参数平面应力理论(Isoparametric Plane Stress Formulation with Incompatible Modes)公式化了单元的平面内刚度。输入板厚的方式有两种，一是为计算平面内的刚度(In-plane Stiffness)输入板厚，另一是为计算平面外的刚度(Out-of-Plane-Stiffness)输入板厚。当计算结构的自重或质量时软件自动取用前者数据。如果用户只输入了计算平面外刚度的厚度时，软件取用该值。单
20、元自由度及单元坐标系板单元的自由度是以单元坐标系为基准，每个节点具有x、y、z 轴方向的移动的线性位移自由度和绕x、y 轴旋转的旋转位移自由度。单元坐标系是由x、y、z 三轴构成的，满足右手螺旋法则的空间直角坐标系。单元坐标系的方向类似于平面应力单元的坐标系统。单元相关功能Create Elements 输入单元Material 输入材料的物理特性Thickness 输入单元厚度Pressure Loads 输入沿单元变长分布的受压荷载值Temperature Gradient 输入温度梯度四边形单元的单元坐标系三角形单元的单元坐标系单元内力输出按以下方
21、式输出平板单元的单元内力及应力，其符号及方向依据单元坐标系或整体坐标系。下面以单元坐标系为基准对其说明。 节点单元内力输出 节点和单元中心处上输出单位长度内力 节点及单元中心处输出截面上部和截面下部的应力节点的单元内力是该节点的位移乘以该节点的刚度而得到。节点和单元中心处的单位长度内力有平面内内力和平面外内力。这些内力可以按计算点处的应力对厚度积分方式计算。在对钢筋混凝土构件设计时可以有效地利用单元的单位长度内力值。节点和单元中心的应力是把在该单元积分点上(Gauss Point)应力按外推法(Extrapolation)推算而得到。
22、 单元内力输出输出的单元内力符号规定见图1.28 所示，其中箭头指向为正（+）。 单位长度上单元内力输出在节点和单元中心处，单位长度内力符号规定见图1.29 所示，其中箭头指向为正（+）。 单元应力输出在节点和单元中心处，输出的单元应力可分为截面上部(Top Surface)单元应力和截面下部(Bottom Surface)单元应力。符号规定见图1.30 所示，其中箭头指向为正（+）。l 输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）。板单元的各节点处的内力输出位置及符号规定l 输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）。板单
23、元的单位长度内力输出及符号规定l 输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）。板单元的单元应力输出位置及输出值的符号规定2.4 边界条件2.4.1自由度约束利用自由度约束(Constraint)功能可以约束节点的位移；或者在缺少自由度的单元（如桁架单元、平面应力单元、板单元等）之间相互连接时，利用此功能约束这些节点的自由度，以防止发生奇异(Singular Error)。在整体坐标系(Global Coordinate System)或在节点坐标系(Node local Coordinate System)上的每一个节点都可以输入六个方向的自由度约束条件（Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz）。2.4.2 梁的节点约束MIDAS/CIVIL是三维空间结构分析程序，故每个节点有6个自由度(Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)。如果已将结构类型定义X-Z平面，故不需对Dy, Rx, Rz自由度再做约束。如未定义X-Z平面，一般需对Dy, Rx, Rz自由度进行约束。对于活动铰，一般只约束Dx，固定铰约束Dx、Dz，固定端约束Dx, Dz, Ry。2.4.3 梁单元之间的约束一般弹性支承，定义为DX10000Kn/mm,DY10KN/mm，Dz10KN/mm，其余释放弯矩，例如贝雷和型钢横梁的约束。
